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Les mystères du laser éclaircis

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Cette vidéo de la superbe série Tous quantiques visualise les principes du laser, ce faisceau de lumière où les photons sont tous sur la même fréquence et en phase. Einstein l'avait prédit. D'autres l'ont réalisé, beaucoup plus tard, et cette lumière cohérente est aujourd'hui omniprésente dans nos sociétés.

L'effet laser (acronyme de l'anglais de light amplification by stimulated emission of radiation) a été découvert par Albert Einstein en 1917 mais d'une manière théorique lorsqu'il a réussi à dériver la formule du corps noir de Max Planck en utilisant l'atome de Bohr et ses niveaux d'énergie. Bohr a montré que les électrons d'atome se répartissaient sur des niveaux d'énergie en occupant les plus bas possible (cette représentation en couche est bien sûr simpliste).

Un électron peut changer de niveau en passant à un niveau supérieur lorsqu'il absorbe un grain de lumière, un photon, d'une énergie, et donc d'une fréquence, bien précise. On dit que l'atome et l'électron sont dans un état excité. L'électron a une certaine probabilité de retomber ensuite dans un temps donné à son niveau initial, ce qu'il finit toujours par faire. C'est la « désexcitation spontanée ».

Le secret : une population d'atomes excités

Einstein a montré que cette désexcitation pouvait être produite plus rapidement avec une certaine probabilité sous l'effet d'un rayonnement ayant une bonne fréquence. On parle alors de désexcitation induite, ou plus généralement d'émission stimulée de rayonnement, ce qui est à proprement parler l'effet laser. D'ordinaire, les atomes ne se désexcitent pas en même temps et, d'ailleurs, ne sont pas majoritairement sur un même niveau. La lumière émise contient alors de nombreuses fréquences différentes et les photons se trouvent donc dispersés dans le temps et sur ces fréquences.

Dans l'effet laser, on commence par provoquer une inversion des populations pour avoir beaucoup d'atomes sur un même niveau d'énergie. Ces atomes sont placés dans une cavité avec des parois réfléchissantes. Quand la désexcitation est amorcée, le rayonnement émis se trouve piégé sur la bonne fréquence et provoque rapidement la désexcitation presque simultanée des autres atomes. On obtient alors une lumière intense avec une fréquence presque pure et des ondes en phase. C'est un « rayonnement cohérent ».

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